Un juego para buscar ondas gravitacionales

Apuntes de gravitación, con onda
En el sitio hay un e-book, como sus creadores decidieron llamar a un conjunto de páginas explicativas.
Allí se informa qué son las ondas gravitacionales:
Imagina que el espacio-tiempo es como una gigante manta de goma. Cuando un objeto masivo (como una estrella) se posa en esta manta, el espacio-tiempo se curva y cualquier cosa cercana al gran objeto se acelerará y caerá hacia el objeto masivo.
De Einstein sabemos que la gravedad funciona bastante parecido a eso. Cuando experimentamos una fuerza gravitacional acelerándonos hacia la Tierra, estamos viajando a lo largo de curvas en el espacio-tiempo!



Si dos agujeros negros estuvieran muy juntos, se acelerarían uno a otro y se orbitarían mutuamente en espiral hasta finalmente colisionar a lo grande. Durante ese proceso el espacio que ocupen se perturbará y esa distorsión se propagaría al resto del universo, a la misma velocidad de la luz. Este fenómeno es lo que se conoce como onda gravitacional.

¿Y qué hacen esas ondas? La forma más simple de describirlo sería que "estiran" y "aprietan" el espacio a través del cual viajan o, en otras palabras, cambian las distancias entre los objetos.
Entre las fuentes más promisorias para las ondas gravitacionales están los agujeros negros en colisión, pero aunque son fuentes extremadamente poderosas, causan que las cosas se estiren o aprieten muy poco: una regla de 1 metro cambiaría en sólo 10^-22m (o 0.0000000000000000000001 m). Así que se necesita instrumentos realmente muy sensibles para detectar este efecto.

Interferometría
Un interferómetro de Michelson consiste en tres espejos, un detector y una fuente de luz. Los espejos reflejan la fuente de luz y el detector observa la luz luego de ser reflejada. La luz de la fuente llega al primer espejo en un ángulo. Como este espejo es mitad transparente, la mitad de la luz es reflejada y va hacia una dirección, mientras el resto sigue su curso. A este primer espejo (o superficie semiespejada) se lo suele llamar "beam-splitter" o divisor de haz.
Así que ahora tenemos dos haces idénticos viajando en diferentes direcciones. Los diferentes caminos de estos haces son usualmente llamados "brazos" del interferómetro. Al final de cada brazo hay otro espejo. Estos espejos son totalmente reflectantes, así que devuelven la luz hacia el divisor.



Ahora la cosa se pone interesante: cuando los haces vuelven al divisor, la mitad de cada uno es reflejada y la otra mitad sigue, como antes. La parte crucial es que ahora los haces de los dos brazos interfieren. Por eso recibe su nombre el instrumento.

La interferencia ocurre cuando añadimos una onda sobre otra. Si las ondas tienen sus crestas y valles en los mismos puntos, se añaden para formar una onda mayor. A eso se llama interferencia constructiva. Pero si la cresta de una está en el mismo punto que el valle de la otra, se cancelan en una interferencia destructiva. Así, al añadir ondas, el resultado depende de las diferentes posiciones de las crestas y valles de las ondas.



Podemos describir la luz como un conjunto de ondas, así que si añadimos dos haces de luz esperaremos una interferencia, que es lo que ocurre cuando los haces vuelven al divisor a recombinarse. La cresta y valle de las posiciones de los haces depende de la longitud de cada brazo. Así, al medir la luz del haz que sale del interferómetro los investigadores pueden saber cuán bien encajan las crestas y valles de los haces de los brazos y si hay, por lo tanto, una diferencia en la longitud de los mismos.

Podemos entender un poco mejor este proceso "jugando" con la aplicación Michelson Interferometer.
En la aplicación online veremos controles deslizadores. Dejemos el beam-splitter y los espejos (first, second mirror) igual a como aparecen en forma predeterminada, tal como se indicó antes: el divisor con 0,5 y los espejos con 1 de reflectividad. Y cambiemos la longitud de un brazo (length of second arm). El resultado son los dos haces output.


Otras consideraciones: 
El ruido debe ser considerado. Algunas variables que no son las buscadas, pueden interferir negativamente en el experimento. Así que los hacen grandes y en sitios tranquilos.
Los espejos son esenciales. Básicamente son cristales, sílice fundida, de diferente tamaño. Para el planificado Advanced LIGO tendría 34cm de diámetro y 20 de espesor. Se les aplica luego una capa especial que le otorga sus características de reflexión.
Además, hay que considerar el movimiento de los espejos, que debería reducirse a la mínima expresión, incluso por movimientos de suelo. Una forma de aislar los espejos de ruido sísmico es con una serie de péndulos. La cantidad de movimiento de un péndulo alcanza un máximo a una frecuencia conocida como frecuencia de resonancia. Cuando el péndulo oscila más rápido, se mueve cada vez menos. Así, suspender un espejo como un péndulo, hace que esté más quieto que el suelo. Al añadir más péndulos, el movimiento puede ser reducido todavía más.